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CN116915185B - 一种频率变换电路 - Google Patents

一种频率变换电路 Download PDF

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CN116915185B CN202311169001.4A CN202311169001A CN116915185B CN 116915185 B CN116915185 B CN 116915185B CN 202311169001 A CN202311169001 A CN 202311169001A CN 116915185 B CN116915185 B CN 116915185B
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Abstract

本发明提供了一种频率变换电路。该频率变换电路包括：差分单元，差分单元包括对称设置的差分对管，差分对管的控制端用于输入差分输入信号，差分单元的输入端连接供电端，差分单元的输出端连接一电流源；分流单元，分流单元连接于电流源，分流单元的输出电流和差分单元的输出电流共同受控于电流源，分流单元的输出电流与差分单元的流出电流负相关；以及电流采集单元，用于采集分流单元的电流并将分流单元的电流对应的采集电流输出至差分单元的输入端。本发明通过设置分流单元和电流采集单元建立了差分单元的放大信号的变化的反馈机制，在实现频率变换的同时实现了幅值的增大。

Description

一种频率变换电路
技术领域
本发明涉及电子电路设计领域，尤其涉及一种频率变换电路。
背景技术
在电学领域，频率变换是常用的信号处理手段和能量变换手段。例如，在电通信领域，信号接收后包括下变频过程，信号发射前包括上变频过程；在电网中，包括直流和交流电之间的频率变换，低频与高频交流电之间的频率变换等。
常用的频率变换器件包括变频器、倍频器和分频器等等，甚至检波器也可看成是射频信号到直流信号的变换。
现有的频率变换电路的目的均在于实现频率的变换，覆盖频率从直流甚至到超高频。然而，在某些特殊的应用场景中，存在频率变换的同时还要实现幅值增大的需求，为此，本发明提供一种新的频率变换电路，以满足该些应用需求。
发明内容
以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。
根据本发明的一方面，提供了一种频率变换电路。频率变换电路包括：差分单元，差分单元包括对称设置的差分对管，差分对管的控制端用于输入差分输入信号，差分对管的电流输入端短接以构成差分单元的输入端，差分对管的电流输出端短接以构成差分单元的输出端，差分单元的输入端连接供电端，差分单元的输出端连接一电流源；分流单元，分流单元连接于电流源，分流单元的输出电流和差分单元的输出电流共同受控于电流源，分流单元的输出电流与差分单元的流出电流负相关；以及电流采集单元，用于采集分流单元的电流并将对应的采集电流输出至差分单元的输入端。
在一实施例中，电流采集单元与差分单元的连接点构成汇流点，供电端与汇流点之间设置有输出单元，用于将汇流点的电流信号转换为频率变换电路的目标输出信号进行输出。
进一步地，输出单元为电阻，该电阻的第一端连接供电端，该电阻的第二端连接汇流点，该电阻的第二端的电压为该频率变换电路的输出信号。
在另一实施例中，输出单元为匹配电路，该匹配电路包括第一电感、第二电阻和第一电容，第一电感和第二电阻串联于供电端和汇流点之间，供电端通过第一电容接地，频率变换电路的输出端设置于第一电感与差分单元的输出端之间。
在再一实施例中，输出单元为电流镜，该电流镜的输入管串联于供电端与汇流点之间，镜像管的镜像电流作为频率变换电路的输出信号。
在一实施例中，分流单元的电流流入端连接一供电端，分流单元的电流流出端连接电流源，该分流单元为可变电阻。
进一步地，可变电阻可以是有源晶体管。
在一实施例中，分流单元包括若干个并联的三极管，若干个三极管的电流流入端短接以构成分流单元的输入端，若干个三极管的电流流出端短接以构成分流单元的输出端，若干个三极管的控制端连接一直流供电端，分流单元的输入端与供电端连接，分流单元的输出端与电流源连接，电流采集单元为电连接线，电连接线的一端与差分单元的输入端连接以构成汇流点，电连接线的另一端连接有源晶体管的控制端。
在另一实施例中，分流单元包括若干个并联的三极管，若干个三极管的电流流入端短接以构成分流单元的输入端，若干个三极管的电流流出端短接以构成分流单元的输出端，若干个三极管的控制端连接一直流供电端，分流单元的输入端与供电端连接，分流单元的输出端与电流源连接，电流采集单元采集分流单元的输入端电流或输出端电流并将输入端电流或输出端电流转换为采集电流。
较优地，若干个三极管为一个或两个。
在一实施例中，分流单元的输入端连接一供电端，电流采集单元采集分流单元的输入电流或输出电流并将输入电流或输出电流转换为采集电流。
在另一实施例中，分流单元为电阻，电阻包括有源电阻。
在又一实施例中，分流单元包括若干个并联的三极管，若干个三极管的电流流入端短接以构成分流单元的输入端，若干个三极管的电流流出端短接以构成分流单元的输出端，若干个三极管的控制端连接一直流供电端，分流单元的输入端与供电端连接，分流单元的输出端与电流源连接。
较优地，若干个三极管为一个或两个。
在前述任一实施例中，电流采集单元为电流镜，该电流镜的输入管串联于分流单元的输入端与供电端之间或输出端与电流源之间，电流镜的镜像电流构成采集电流，电流镜的镜像管的输出端连接至差分单元的输入端。
在前述任一实施例中，电流采集单元为变压器，变压器的原边串联于分流单元的输入端与供电端之间或输出端与电流源之间，变压器的副边串联于差分单元的输入端与其供电端之间。
在前述任一实施例中，电流源包括一个或多个并联的电流源。
本发明通过设置分流单元和电流采集单元建立了差分单元的放大信号的变化的反馈机制，在实现频率变换的同时实现了幅值的增大。
附图说明
在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，更能够更好地理解本发明的上述特征和优点。
图1是根据本发明的一个方面绘示的一实施例中的频率变换电路的结构示意框图；
图2是根据本发明的一个方面绘示的一实施例中的频率变换电路的电路示意图；
图3是根据本发明的一个方面绘示的一实施例中的频率变换电路的电路示意图；
图4是根据本发明的一个方面绘示的另一实施例中的频率变换电路的结构示意框图；
图5是根据本发明的一个方面绘示的一实施例中的频率变换电路的电路示意图；
图6是根据本发明的一个方面绘示的一实施例中的频率变换电路的电路示意图；
图7是根据本发明的一个方面绘示的一实施例中的频率变换电路的电路示意图；
图8是根据本发明的一个方面绘示的一实施例中的频率变换电路的电路示意图。
具体实施方式
给出以下描述以使得本领域技术人员能够实施和使用本发明并将其结合到具体应用背景中。各种变型、以及在不同应用中的各种使用对于本领域技术人员将是容易显见的，并且本文定义的一般性原理可适用于较宽范围的实施例。由此，本发明并不限于本文中给出的实施例，而是应被授予与本文中公开的原理和新颖性特征相一致的最广义的范围。
在以下详细描述中，阐述了许多特定细节以提供对本发明的更透彻理解。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，本发明的实践可不必局限于这些具体细节。换言之，公知的结构和器件以框图形式示出而没有详细显示，以避免模糊本发明。
除非另有直接说明，否则本说明书(包含任何所附权利要求、摘要和附图)中所揭示的所有特征皆可由用于达到相同、等效或类似目的的可替代特征来替换。因此，除非另有明确说明，否则所公开的每一个特征仅是一组等效或类似特征的一个示例。
注意，在使用到的情况下，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语 “相连”、“连接”、“跨接”应做电连接理解，且可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
注意，在使用到的情况下，进一步地、较优地、更进一步地和更优地是在前述实施例基础上进行另一实施例阐述的简单起头，该进一步地、较优地、更进一步地或更优地后带的内容与前述实施例的结合作为另一实施例的完整构成。在同一实施例后带的若干个进一步地、较优地、更进一步地或更优地设置之间可任意组合的组成又一实施例。
以下结合附图和具体实施例对本发明作详细描述。注意，以下结合附图和具体实施例描述的诸方面仅是示例性的，而不应被理解为对本发明的保护范围进行任何限制。
根据本发明的一个方面，提供一种频率变换电路，用于在频率变换的同时提高输出信号的幅值。
图1示出了一实施例中的频率变换电路的结构框图。如图1所示，频率变换电路包括差分单元1、分流单元2、电流采集单元3和电流源I。
其中，差分单元1为主要实现频率变换的放大单元，包括对称设置的差分对管Q1和Q2。差分对管的控制端用于输入差分输入信号Rfin+和Rfin-，差分对管Q1和Q2的电流输入端短接以构成差分单元1的输入端，差分对管Q1和Q2的电流输出端短接以构成差分单元1的输出端。差分单元1的输入端连接供电端，差分单元1的输出端连接电流源I。
其中，差分对管Q1和Q2可以是双极性晶体管或场效应晶体管。差分对管Q1和Q2的控制端指双极性晶体管的基极或场效应晶体管的栅极，电流流入端指N型双极性晶体管的集电极、P型双极性晶体管的发射极、M型场效应晶体管的漏极或P型场效应晶体管的源极，电流流出端指N型双极性晶体管的发射极、P型双极性晶体管的集电极、M型场效应晶体管的源极或P型场效应晶体管的漏极。对频率放大电路的输入和输出而言，频率放大电路的输入信号从差分对管Q1和Q2的控制端引入，频率放大电路的输出信号从差分对管Q1和Q2的电流流入端引出。
分流单元2与差分单元1共同连接于电流源I，则，分流单元2的输出电流和差分单元1的输出电流共同受控于电流源I。当差分单元1的输出电流随其输入信号的变换而变化时，电流源I的电流不变，分流单元2的输出电流显然会与差分单元1的输出电流呈反向变化的关系，即分流单元2的输出电流与差分单元1的输出电流负相关。
电流采集单元3用于采集分流单元2的电流并将分流单元2的电流对应的采集电流输出至差分单元1的输入端。
即，分流单元2可根据差分单元的输入信号的变化而产生一定响应，该响应被电流采集单元3采集并将采集电流输出至差分单元1的电流流入端，而频率变换电路的输出端一般设置在差分单元1的电流流入端，因此，分流单元2和电流采集单元3可视为一频率变换电路的输入至输出的反馈补偿结构。
可以理解，差分单元1本身可形成一输入至输出的响应，而分流单元2和电流采集单元3的组合又可形成一输入至输出的反馈补偿结构，可见该频率变换电路的输入至输出具有两条响应支路，因此在频率变换的基础上，两条响应支路的叠加还可提升幅值。
其中，电流采集单元3的采集电流与分流单元2的输入电流或输出电流呈比例关系。较优的，采集电流与分流单元2的输入电流或输出电流的比例大于或等于1。
虽然图1并未给出具体的分流单元2和电流采集单元3的电路结构，但本领域的技术人员可根据分流单元2和电流采集单元3的单独功能或其联合功能而分别采用现有或将有的用于实现分流作用、电流采集作用的电路或其组合的反馈补偿作用的电路来实现。
例如，分流单元2可采用一个或多个常规电阻、可变电阻或其组合来实现。其中，可变电阻包括人为调节电阻（如划片电阻等）或有源电阻。
电流采集单元3可采用常见的霍尔电流传感器等用于电流采集的器件来实现，也可以参考变压器原理利用副边电流随原边电流变化的机理来实现，也可以采用输出相对于输入构成一定比例且可改变电流方向的电路结构来实现（例如电流镜）。
图2示出了一具体实施例中的频率变换电路的电路示意图。其中，分流单元2采用可调电阻RF来实现，电流采集单元3采用电流镜来实现。
如图2所示，电流采集单元3包括输入管PM1和镜像管PM2，其中，输入管PM1串联于可调电阻RF及其供电端之间，镜像管PM2的输出端与差分单元1的电流流入端连接。
本领域的技术人员可以理解，电流镜为常见的电流源电路，其连接方式是其产生镜像电流的必要条件，因此不再赘述，可参考图2所示的电流镜3。其中，采用图2所示连接方式的电流镜采用P型MOS管或三极管。
图3示出了另一具体实施例中的频率变换电路的电路示意图。其中，分流单元2采用有源电阻Q3来实现，电流采集单元3采用变压器来实现。
如图3所示，电流采集单元3包括原边L1和副边L2，其中，原边L1串联于有源电阻Q3的电流流入端及其供电端之间，副边L2串联于差分单元1的电流流入端与差分单元1的供电端之间。有源电阻Q3的电流流出端与电流源I连接，有源电阻Q3的控制端为控制其阻值大小的端口，可以是场效应管的栅极或三极管的基极。在图3所示的频率变换电路中，变压器3的副边L2与差分单元1的输入端的连接点可作为频率变换电路的输出端Pout。
在图2或图3所示的频率变换电路中，分流单元2可以是由若干个可调电阻组合而成。如图2中的分流单元2可采用若干个可调电阻并联的结构，图3中的分流单元2可采用若干个有源电阻并联的结构。并联的若干个有源电阻的电流流入端短接以构成分流单元2的输入端，并联的若干个有源电阻的电流流出端短接以构成分流单元2的输出端，并联的若干个有源电阻的控制端短接以构成分流单元2的控制端，该控制端的控制电压可控制该若干个有源电阻的并联阻值。为减少损耗，较优地，若干个并联的电阻可以是一个或两个。较优地，该控制端的控制电压等于差分单元1的差分输入信号的幅值或等效电压。
在图2或图3所示的频率变换电路中，电流采集单元3可设置在分流单元2的输入端或输入端，即图2所示的输入管PM1也可以设置于可变电阻RF与电流源I之间，图3所示的原边L1也可以设置在有源晶体管Q3的电流流出端与电流源I之间。
在图1所示的实施例中，差分单元1的输入端的电流可作为频率变换电路的输出信号。如图1所示，电流采集单元3和差分单元1的连接点可构成电流的汇流点A，汇流点A的电流信号可作为输出信号。
本领域的技术人员可以理解，当频率变换电路的输出信号需为电压信号时，在图1所示的汇流点还可设置输出单元以将电流信号转换为电压信号进行输出。
图4示出了一实施例中的频率变换电路的架构示意图。在图4所示的实施例中，电流采集单元3和差分单元1的连接点处还设置有输出单元4。输出单元4可采用电阻或有源电阻来实现；在一些实施例中，输出单元4还可采用电流镜来实现输出信号的隔离；在电流镜的实施例中，较优地，电流镜的镜像管的输出端还可通过串联电阻来实现镜像电流至镜像电压的转换。
在一些实施例中，当频率变换电路的输出端与其负载进行匹配时，输出单元4还可以是与负载电路实现阻抗匹配的匹配电路。
图5示出了一频率变换电路的电路示意图。图5所示的实施例相对于图2所示的实施例的区别在于，输出单元4由电阻R1构成。电阻R1的第一端连接供电端VDD，第二端连接汇流点A，其中，电阻R1的第二端可作为频率变换电路的输出端Pout。
图6示出了一频率变换电路的电路示意图。图5所示的实施例相对于图2所示的实施例的区别在于，可调电阻RF采用有源晶体管Q3来实现，输出单元4采用匹配电路以实现频率变换电路的输出匹配。
可以理解，匹配电路可采用满足频率变换电路的输出负载的匹配需求的电路来实现，例如，匹配电路为可实现频率变换电路的输出阻抗与其输出负载阻抗共轭匹配的电路。
以图6所示的匹配电路4为例，匹配电路可包括电感L3、电阻R1和电容C1。其中，电感L3和电阻R1串联于差分单元1的供电端VDD及其输入端之间，电容C1的一端连接至供电端VDD与电感L3之间，电容C1的另一端接地。其中，频率变换电路的输出端Pout可设置于电感L3与差分单元的输入端之间的任意一点。
图7示出了一频率变换电路的电路示意图。图7所示的实施例相对于图5所示的实施例的区别在于：可调电阻RF采用有源晶体管Q3来实现；电流采集单元采用电连接线来实现，即有源晶体管Q3的控制端连接至汇流点A，有源晶体管Q3的控制端至汇流点A的点连接线构成电流采集单元。此时，频率变换电路的输出端Pout可设置于电阻R1至汇流点A之间。
图8示出了一频率变换电路的电路示意图。图8所示的实施例相对于图7所示的实施例的区别在于：频率变换电路的输出端Pout设置于分流单元2与电流源I之间。
本发明所说频率变换电路的输出端并不狭义地指端口，而是指频率比那换电路的输出信号的提取点，该提取点可以作为输出端口，也可以再通过其他所需的输出电路来提取出该输出端的信号。
进一步地，在前述任一实施例中，电流源I可以是单个电流源，也可以是由多个电流源并联组成。
提供之前的描述是为了使本领域中的任何技术人员均能够实践本文中所描述的各种方面。但是应该理解，本发明的保护范围应当以所附权利要求书为准，而不应被限定于以上所解说实施例的具体结构和组件。本领域技术人员在本发明的精神和范围内，可以对各实施例进行各种变动和修改，这些变动和修改也落在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种频率变换电路，其特征在于，包括：
差分单元，所述差分单元包括对称设置的差分对管，所述差分对管的控制端用于输入差分输入信号，所述差分对管的电流输入端短接以构成所述差分单元的输入端，所述差分对管的电流输出端短接以构成所述差分单元的输出端，所述差分单元的输入端连接供电端，所述差分单元的输出端连接一电流源；
分流单元，所述分流单元连接于所述电流源，所述分流单元的输出电流和所述差分单元的输出电流共同受控于所述电流源，所述分流单元的输出电流与所述差分单元的流出电流负相关；
电流采集单元，用于采集所述分流单元的电流并将对应的采集电流输出至所述差分单元的输入端；以及
所述电流采集单元与所述差分单元的连接点构成汇流点，所述供电端与所述汇流点之间设置有输出单元，用于将所述汇流点的电流信号转换为所述频率变换电路的目标输出信号进行输出。
2.如权利要求1所述的频率变换电路，其特征在于，所述输出单元为电阻，所述电阻的第一端连接所述供电端，所述电阻的第二端连接所述汇流点，所述电阻的第二端的电压为所述频率变换电路的输出信号。
3.如权利要求1所述的频率变换电路，其特征在于，所述输出单元为匹配电路，所述匹配电路包括第一电感、第二电阻和第一电容，所述第一电感和所述第二电阻串联于所述供电端与所述汇流点之间，所述供电端通过所述第一电容接地，所述频率变换电路的输出端设置于所述第一电感与所述差分单元的输出端之间。
4.如权利要求1所述的频率变换电路，其特征在于，所述输出单元为电流镜，所述电流镜的输入管串联于所述供电端与所述汇流点之间，所述电流镜的镜像管的镜像电流作为所述频率变换电路的输出信号。
5.如权利要求1所述的频率变换电路，其特征在于，所述分流单元的电流流入端连接一供电端，所述分流单元的电流流出端连接所述电流源，所述分流单元为可变电阻。
6.如权利要求5所述的频率变换电路，其特征在于，所述可变电阻为有源晶体管。
7.如权利要求6所述的频率变换电路，其特征在于，所述分流单元包括若干个并联的三极管，若干个三极管的电流流入端短接以构成所述分流单元的输入端，所述若干个三极管的电流流出端短接以构成所述分流单元的输出端，所述若干个三极管的控制端连接一直流供电端，所述分流单元的输入端与供电端连接，所述分流单元的输出端与所述电流源连接，所述电流采集单元为电连接线，所述电连接线的一端与所述差分单元的输入端连接以构成汇流点，所述电连接线的另一端连接所述有源晶体管的控制端。
8.如权利要求7所述的频率变换电路，其特征在于，所述频率变换电路的输出端设置于所述汇流点或所述分流单元的输出端。
9.如权利要求6所述的频率变换电路，其特征在于，所述分流单元包括若干个并联的三极管，若干个三极管的电流流入端短接以构成所述分流单元的输入端，所述若干个三极管的电流流出端短接以构成所述分流单元的输出端，所述若干个三极管的控制端连接一直流供电端，所述分流单元的输入端与供电端连接，所述分流单元的输出端与所述电流源连接，所述电流采集单元采集所述分流单元的输入端电流或输出端电流并将所述输入端电流或所述输出端电流转换为所述采集电流。
10.如权利要求9所述的频率变换电路，其特征在于，所述若干个三极管为一个或两个。
11.如权利要求1～6或9～10中任一项所述的频率变换电路，其特征在于，所述电流采集单元为电流镜，所述电流镜的输入管串联于所述分流单元的输入端与供电端之间或输出端与所述电流源之间，所述电流镜的镜像电流构成所述采集电流，所述电流镜的镜像管的输出端连接至所述差分单元的输入端。
12.如权利要求1～6或9～10中任一项所述的频率变换电路，其特征在于，所述电流采集单元为变压器，所述变压器的原边串联于所述分流单元的输入端与供电端之间或输出端与所述电流源之间，所述变压器的副边串联于所述差分单元的输入端与其供电端之间。
13.如权利要求1～10中任一项所述的频率变换电路，其特征在于，所述电流源包括一个或多个并联的电流源。
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